Chế tạo pin vĩnh cửu bằng kim cương có tuổi thọ 5.700 năm

Cơ chế hoạt động

Nghe có vẻ cường điệu (và tất nhiên chúng ta cũng chẳng thể kiểm chứng được vì tuổi thọ con người chỉ 100 năm là cao. Thế nhưng, hiện nay các nhà khoa học đang phát triển một loại pin kim cương sử dụng carbon-14, thứ có thể trở thành “cứu tinh” cho những ai thường xuyên đến văn phòng với chiếc điện thoại chỉ còn 30% pin.

Dự án này được khởi xướng bởi nhóm nghiên cứu tại Đại học Bristol (Anh) phối hợp với công ty khởi nghiệp NDB Inc. ở California (Mỹ). Ý tưởng nghe thì có vẻ đơn giản và đúng là giấc mơ của nhiều người, nhưng thực chất là một bước tiến khổng lồ: tận dụng chất thải hạt nhân, bọc nó trong kim cương nhân tạo (được tạo ra trong phòng thí nghiệm), rồi biến thành một nguồn năng lượng an toàn, ổn định và gần như vĩnh cửu.

Mấu chốt nằm ở carbon-14, một đồng vị phóng xạ có trong các khối graphite từng được dùng trong lò phản ứng hạt nhân. Carbon-14 có chu kỳ bán rã tới 5.730 năm, đồng thời phát ra năng lượng liên tục. Khi được đặt trong lớp vỏ kim cương nhân tạo, kim cương vừa đóng vai trò lá chắn, vừa là bộ chuyển đổi, biến bức xạ này thành điện năng. Quả thật là một ý tưởng “điên rồ” theo đúng nghĩa.

Giáo sư Tom Scott, một trong những người tiên phong của dự án, giải thích rằng loại pin này không có bộ phận chuyển động, không phát thải khí, không cần bảo trì, đồng thời còn giúp tái sử dụng chất thải hạt nhân – thứ vốn dĩ là vấn đề nan giải.

Ứng dụng rộng rãi

Không gian là nơi loại pin này phát huy lợi thế rõ rệt nhất. Tấm pin Mặt Trời chỉ hoạt động hiệu quả khi ở gần Mặt Trời, còn các máy phát điện hiện nay phụ thuộc vào plutonium-238, vốn rất khan hiếm.

Với pin kim cương, một thiết bị có thể hoạt động suốt hàng thế kỷ mà không tắt, mở ra cánh cửa cho những tàu thăm dò vươn xa hơn bao giờ hết, hay những sứ mệnh liên hành tinh kéo dài nhiều thập kỷ. Không ngạc nhiên khi NASA cũng đang quan tâm đặc biệt, vì công nghệ này phù hợp với chiến lược đa dạng hóa nguồn năng lượng cho các nhiệm vụ trong tương lai.

Tuy nhiên, không chỉ ở ngoài vũ trụ, trên Trái Đất loại pin này cũng có thể tạo ra nhiều thay đổi đáng kể. Trong y học, một chiếc máy trợ tim dùng pin kim cương có thể tồn tại suốt đời bệnh nhân, không cần thay thế định kỳ bằng các ca phẫu thuật xâm lấn như hiện nay.

Ngoài ra, pin còn hữu ích cho các loại cảm biến đặt ở vùng sâu vùng xa hoặc môi trường nguy hiểm, nơi không thể thường xuyên bảo trì. Nó thậm chí có thể đóng vai trò như một máy phát điện, cung cấp năng lượng cho bệnh viện ở những khu vực thiếu thốn cơ sở hạ tầng hoặc thường xuyên hứng chịu thiên tai.

Theo NDB Inc., trong tương lai, loại pin này thậm chí có thể được ứng dụng trong điện thoại hay laptop – viễn cảnh khiến nhiều người háo hức. Dù vậy, các chuyên gia khuyến nghị cần thận trọng vì công nghệ này vẫn còn cần thêm nhiều thử nghiệm và đánh giá khoa học để xác thực mức độ khả thi.

Những thách thức lớn về kỹ thuật

Dĩ nhiên, mọi chuyện không hề đơn giản. Quá trình sản xuất kim cương nhân tạo trên quy mô lớn hiện vẫn rất tốn kém. Việc sử dụng vật liệu phóng xạ lại phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt.

Carbon-14 (C-14) là một đồng vị phóng xạ của carbon, không tồn tại nhiều trong tự nhiên. Nó chỉ chiếm một phần rất nhỏ so với các đồng vị carbon ổn định khác (như Carbon-12 và Carbon-13).

Ngoài tự nhiên, C-14 được tạo ra liên tục trong tầng bình lưu và tầng đối lưu trên của khí quyển. Các tia vũ trụ năng lượng cao (cosmic rays) bắn phá các nguyên tử Nitơ-14 (N-14) trong không khí, tạo ra C-14 và một proton. C-14 này sau đó kết hợp với oxy để tạo thành carbon dioxide (C¹⁴O₂) phóng xạ.

Trong sản xuất C-14 cũng được tạo ra nhân tạo trong các lò phản ứng hạt nhân. Phản ứng xảy ra khi neutron tương tác với các nguyên tử nitơ, oxy, hoặc carbon có trong nhiên liệu, chất làm lạnh, hoặc cấu trúc của lò phản ứng.

Do C-14 tồn tại ở nồng độ rất thấp trong tự nhiên, nên việc "khai thác" nó từ môi trường là không khả thi. Thay vào đó, nó được sản xuất nhân tạo trong các lò phản ứng hạt nhân.

Quá trình này thường bao gồm việc chiếu xạ neutron vào các mục tiêu giàu nitơ (chẳng hạn như nhôm nitride hoặc graphit pha nitơ) trong lò phản ứng. Phản ứng hạt nhân này biến nitơ-14 thành C-14.

Sau khi chiếu xạ, vật liệu mục tiêu được xử lý hóa học trong các cơ sở chuyên biệt. C-14 được tách ra và tinh chế, thường ở dạng khí carbon dioxide phóng xạ (C¹⁴O₂) hoặc các hợp chất cơ bản khác như Bari cacbonat (BaC¹⁴O₃). Từ những hợp chất gốc này, các hợp chất hữu cơ có chứa C-14 được tổng hợp để sử dụng trong nghiên cứu hoặc ứng dụng công nghiệp. Quá trình này đòi hỏi phải có trang thiết bị chuyên dụng và tuân thủ các quy trình an toàn nghiêm ngặt để xử lý vật liệu phóng xạ.

Thêm vào đó là thách thức về tâm lý: thuyết phục người dùng rằng mang theo một “cục pin hạt nhân” trong túi áo hay trong điện thoại là an toàn. Với những gì chúng ta biết về các sự cố hạt nhân, sự e dè này là điều dễ hiểu.

Tuy nhiên, các nhà khoa học khẳng định mức bức xạ phát ra từ pin kim cương thậm chí còn thấp hơn bức xạ tự nhiên của cơ thể con người, tức là hoàn toàn an toàn. Nhưng chỉ riêng khái niệm “năng lượng hạt nhân” cũng đã đủ khiến nhiều người lo ngại.

Hướng tới tương lai

Tiềm năng là vô cùng lớn, nhưng không ai kỳ vọng công nghệ này sẽ phổ biến ngay lập tức. Ngay cả những dự đoán lạc quan nhất cũng cho rằng phải ít nhất một thập niên nữa chúng ta mới có thể chứng kiến pin kim cương được ứng dụng thực tế trong đời sống thường nhật.

Nếu vượt qua được các rào cản kỹ thuật và giành được sự tin tưởng của người dùng, pin kim cương có thể trở thành giải pháp mang tính cách mạng của thế kỷ này: biến chất thải thành nguồn năng lượng sạch và gần như bất tận.